钢板桩围堰在深水基础施工中的应用

钢板桩围堰在深水基础施工中的应用

1主桥方案级通航道广东省佛山市思贤桥特大桥为连续钢梁双斜桥，全长126968.19米。思贤桥段是西部和北部河流的交汇处。它是连接西江和北江的重要运河。这是三级航道。这座主桥横跨水面约310米的河流。两主塔所在桥墩号分别为347#和348#,承台尺寸为17.0m×35.0m×6.0m(顺桥向×横桥向×高),承台底高程为-10.206m,顶高程为-4.206m。承台采用双排钢板桩围堰施工方法,下部为厚3.5m的封底混凝土。1.1月不同防治时期该工程所在地区常年气候温和湿润,雨量充沛。每年汛期为4月—9月,主汛期为6月—8月。据1999年—2008年共10年的水文观测数据,确定施工水位、流速等参数,施工水位采用+3.0m,设计流速确定为0.63m/s。1.2上、下基岩地层该地区地貌属冲洪积地貌单元。钻孔资料显示,场地地层上部为人工填土、第四系淤积层、冲积层及残积层,下部基岩为石炭系石灰岩。岩土层根据其结构、性质、时代和风化程度从上到下,可分为8个工程地质层和13个小层。2钢板桩施作工艺思贤窖特大桥主墩承台采用先桩基后围堰的方法施工,主墩承台围堰采用双排钢板桩围堰。通过建模进行的受力分析计算,以及现场监测结果均表明围堰结构稳定。347#和348#主墩墩位处水深较大,利用桩基施工平台,采用70t履带吊机和D90液压振动锤施作钢板桩。施工流程:施工准备→部分钻孔桩施工平台拆除→钢板桩采购并运输到现场→施打钢板桩→安装围檩及支撑→挖泥→浇筑封底混凝土→承台施工→塔柱施工→围堰拆除。3双带板路堤的设计和检算计算3.1外排钢板桩材料参数1)设计条件:承台顶高程为-4.206m,承台底高程为-10.206m,封底混凝土底部高程为-13.706m,封底混凝土强度等级为C30。2)土层计算参数(见表1)3)钢板桩围堰尺寸,内排钢板桩围堰平面尺寸为:横桥向长37.0m,顺桥向长19.0m,内排钢板桩围堰与承台边线的距离为1.0m。外排钢板桩尺寸为:347#墩横桥向长41.0m,顺桥向长23.0m;348#墩横桥向长41.0m,顺桥向长40.0m。4)钢板桩材料参数,采用U型钢板桩,长21～24m,用90kW液压振动锤打桩。外排钢板桩顶高程为+5.0m,即高出最高水位0.5m,内排钢板桩顶高程为+3.0m,钢板桩牌号均选用SY295,即屈服强度为295MPa。钢板桩设计底部高程-19.0m,在岩面较浅处(高程为-16.3m)将钢板桩打至岩面。5)围檩及支撑材料,两主墩围檩及支撑体系由四层组成,中心高程分别为+2.0m,-1.0m,-3.5m和-6.5m,各层围檩及支撑选材如表2所示。3.2年，满语固桥防护强度的测定3.2.1计算负荷的性能荷载考虑土压力、静水压力和动水压力。墙后填土与水平面无夹角时主动土压力根据文献计算,动水压力根据文献计算。3.2.2系梁及拉力降低内排板桩水位在348#钢板桩围堰支护设计中,设计水位取+3.0m,按施工过程进行如下6个工况的计算:工况①在江水位较低时进行钢板桩围堰合龙,并安装第一道围檩支撑、联系梁及拉杆(高程+2.0m),围堰内抽水至水位-1.7m,第二道围檩未安装。安装完毕第一道围檩、支撑、联系梁及拉杆后,回填中粗砂及降低内排板桩水位,348#围堰双排板桩间回填中粗砂至+1.50m,并且水位降至+1.50m。工况②～工况⑥均按照回填中粗砂及降低内排板桩水位考虑。工况②第二道围檩及支撑(高程-1.0m)安装完毕,围堰内开挖至-4.5m,第三道围檩未安装;工况③第三道围檩及支撑(高程-3.5m)安装完毕,围堰内开挖至-7.5m,第四道围檩未安装;工况④第四道围檩及支撑(高程-6.5m)安装完毕,围堰内开挖至-9.5m;工况⑤往围堰内注水至与外部江水位相平,然后在围堰内进行水下开挖,开挖至高程-13.706m,封底混凝土未浇筑;工况⑥封底混凝土(高程-13.706～-10.206m)浇筑完毕并达到90%强度以上,然后降低水位至高程-10.206m,拆除第四道围檩及支撑,承台未浇筑。承台为一次性浇筑完毕,且浇筑过程中无须拆除支撑,因此后面的工况不再计算。3.2.3钢板桩、钢板围、横撑、角撑的弹性单元采用有限元程序ANSYS平台对围堰结构进行三维空间建模,模拟计算各种荷载作用下围堰结构整体的受力情况。钢板桩采用竖向弹性地基梁法计算,弹簧杆采用combin14单元模拟,钢板桩、围檩、横撑、角撑和八字撑采用梁单元beam188模拟,拉杆和板桩间的“弹性连杆”采用非线性单元link10模拟。根据水压力和土压力计算图式对钢板桩进行计算,得到各工况下围堰各个构件的位移、弯矩和轴力。3.2.4计算的钢渣13表3显示了基于38个码头的三维计算2钢板桩平面内约束围的有限元模型采用有限元软件MIDAS软件分析,围檩与钢板桩之间连接只考虑约束围檩的竖向和沿钢板桩平面内的位移,横撑、角撑及八字撑与围檩为铰接,其它连接均为固接,计算的有限元模型如图1所示。第4层钢板桩围堰构件内力计算结果如表4。3钢板桩强度校核①钢板桩强度检算,按照文献的计算方法,并且综合分项系数取1.35,钢板桩的强度折减系数取0.8,可得钢板桩强度校核如表5所示。②围檩强度检算,根据文献检算,结果如表6。③支撑稳定性检算,按表4的计算结果,根据参考文献检算各构件在弯矩平面内的强度,内支撑满足稳定性要求。④杆件长细比λ检算,根据参考文献检算各杆件的容许最大长细比,各杆件均符合要求。3.3大坝稳定性评价3.3.1被动侧水平荷载对支护结构最底部点的弯矩标准值的确定抗倾覆稳定性安全系数KS应>1.2,KS=(MEP+MT)/MEa,其中,MEa为支护结构底部以上主动侧水平荷载对支护结构最底部点的弯矩标准值(kN·m);MEP为支护结构底部以上被动侧水平荷载对支护结构最底部点的弯矩标准值(kN·m);MT为支撑压力标准值对支护结构最底部点的弯矩(kN·m)。取覆盖层最厚的ZK3地质钻孔,采用理正深基坑软件进行计算可得KS=1.506,因KS>1.2,故满足抗倾覆安全要求。3.3.2检算渗流稳定性拟采用开挖方式为:-9.50m以上采用干开挖方式,-9.50m以下采用水下开挖方式。两主墩钻探结果如图2所示,347#墩高程-9.50m以下部分为砾砂,部分为粉质黏土;348#墩高程-9.50m以下全部为粉质黏土。1)抗管涌检算,选取最不利的钻孔347#-ZK5检算渗流稳定性,该钻孔岩面较高,下部砾砂厚。围堰内开挖到高程-9.50m时,渗径长度L为18.5m,围堰内外水头差Δh为12.5m,渗流水力坡度i=Δh/L=0.68,渗流破坏临界水力坡度经计算为1.13,则安全系数KS=1.13/0.68=1.66>1.50,满足要求,说明347#墩在高程-9.50m以上采用干开挖方式,能够保证围堰内抗管涌稳定性。2)抗隆起检算,选取最不利的钻孔348#-ZK5进行检算,该钻孔岩面最高,嵌固深度最小。参照普朗德尔地基承载力方式计算得抗隆起稳定性安全系数KL为1.44,KL≥1.20～1.30,满足要求,说明348#墩在高程-9.50m以上采用干开挖,能够保证围堰内的基坑抗隆起稳定性。3.3.3密封土的厚度试验1土层厚度检验封底混凝土浇注完成后,计算土层提供的摩擦力时,只统计墩周边桩的土层厚度。以348#墩为例进行检算,土层平均厚度如表7。根据文献计算得348#墩单桩抗拔极限承载力为25713.7kN。2抗浮安全系数围堰内抽水至-10.206m高程时,根据封底混凝土底板处受力分析,应满足F1<G1+F2+F3,F1为水对封底混凝土底板处的浮力;G1为封底混凝土自重;F2为护筒与混凝土间的握裹力;F3为混凝土与钢板桩围堰间的黏聚力。抗浮安全系数k2=(G1+F2+F3)/F1。经计算,当348#墩封底混凝土厚3.5m时,k2=1.57,满足抗浮安全要求。3.4钢板桩总重质量分数由于围堰所在河段的20年一遇水位达到了9m,而钢板桩围堰设计顶部高程为+5.0m,因此,如果汛期提前来临,在承台施工期水位高于+5.0m时,必须采取应急处理措施,应向围堰内注水至水位与外部水位相同,并停止施工。经计算,动水压力为91.6kN,产生的倾覆力矩为1906kN·m;钢板桩总重(扣除浮力)为415168kg,产生的抗倾覆力矩为39441kN·m。抗倾覆力矩大于倾覆力矩,说明钢板桩围堰在动水压力作用下满足整体抗倾覆安全要求。4钢板桩围堰施工过程中安全监测由于围堰处于深水中,钢板桩侧壁受到较大水压力的作用,因此施工过程存在一定的风险,为保证钢板桩围堰施工的安全,并达到信息化施工、动态设计的目的,需在施工过程中进行安全监测。4.1监测内容11钢渣变形桩身的变形形态反映了钢板桩自身的刚度和稳定性是否满足设计要求,同时也有助于了解土层的稳定状态。2围堰的严重后果支撑对控制围堰的变形和安全起着至关重要的作用,如果支撑破坏或失稳,将会给围堰带来严重后果。支撑轴力监测可了解支撑的实际轴力,进而评估围堰的安全性。3钢板桩桩身水位监测与分析由于水位高低对围堰的安全性极其重要,通过水位监测不仅可以了解围堰体系所受荷载情况,还可以将钢板桩桩身的变形、支撑轴力监测结果与水位情况进行对比分析。4.2监测方法1钢板桩的变形量的测量采用测斜管、测斜仪进行监测,为了真实反映支护结构的挠曲状况,将固定测斜管的3cm镀锌钢管焊接在围堰内侧钢板桩上,随着钢板桩的打设就位于相应的位置,见图3;然后将测斜管放入镀锌钢管中,并在测斜管与镀锌钢管之间填入细砂固定。测量时,将测斜仪探头伸入测斜管内上下滑移,即可在测读仪显示屏上读得相应数据,经过计算分析后可得钢板桩的变形量。拟在围堰横桥向方向每边布置4个观测点,顺桥向方向每边的中点布置1个观测点,每个围堰布置10个观测点,两个围堰共计20个观测点。2支撑轴力的检测采用振弦式表面应变计、振弦式频率读数仪进行监测。由于围堰内支撑全部为钢支撑,因此直接将表面应变计对称焊接于钢支撑表面即可。监测时,将应变计电缆线接上数字频率计,读出在某一应变量下的钢弦自振频率,即可得出支撑的应变量,再通过换算即得到支撑轴力值。表面应变计的安装如图4所示。拟在围堰的每一层支撑体系上选取两根横撑和一根角撑进行轴力监测,每根支撑左右两侧各布置一支表面应变计。则每层支撑及围檩体系共布置6支表面应变计,两个围堰共计48支。3水位监测在围堰与施工栈桥连接处设置水尺,在桩身变形及钢支撑轴力监测时观测对应的水位。4.3报告的频率和报告价值4.3.1围堰体系监测围堰内抽水前测读初始数据。1)在围堰内开始抽水至围堰内抽水完毕开始挖土期间,围堰内外水位差及围堰体系受力相对较小,因此每3d监测1次;2)在围堰内开始挖土至浇筑封底混凝土完毕期间,由于围堰体系受力较大,且封底混凝土施工对土体产生扰动,围堰体系内力、变形相对较大,因此每天监测1次,如有测点数据接近预警值,则对该部分测点每天监测2次;3)在绑扎承台钢筋及浇筑第一层承台混凝土期间,由于已浇筑完毕垫层,围堰的安全性大大提高,因此每3d监测1次。4)如发生台风、暴风雨、江水有较大上涨、围堰遭船只撞击等异常情况,增加监测频率。4.3.2钢板桩支撑轴力分析1)位移变形预警值,600×210钢板桩为188.4mm;500×225钢板桩为109.7mm;2)弯曲曲率预警值,600×210钢板桩为0.0136(1/m);500×225钢板桩为0.0127(1/m)。3)支撑轴力按允许轴力的90%作为预警值。横撑轴力预警值:ϕ600×1